nutrientes y gases: azufre

TERCERA PARTE
NUTRIENTES Y GASES: AZUFRE
EL AZUFRE ES BIEN ABUNDANTE en la corteza terrestre. Se encuentra como: azufre
elemental, sulfuros minerales, sulfatos, H2S en el gas natural y como azufre orgánico en
aceites combustibles y carbón (Hill y Petrucci, 1996). El ciclo biogeoquímico del azufre
parece ser uno bastante complejo si tomamos en consideración los diferentes estados
de oxidación que puede presentar dicho elemento y el hecho de que algunas
transformaciones del azufre proceden tanto por vias bióticas como abíoticas. No
obstante, aún cuando, el azufre existe en varios estados de oxidación (Tabla 1), sólo
compuestos sulfurados con número de oxidación: -2 [H2S, FeS, R-SH, H3C-S-CH3], 0 [S°]
y +6 [SO4=] se encuentran en cantidades significativas en la naturaleza.
Depósitos de azufre en la naturaleza:
Los depósitos de azufre más abundantes se encuentran en sedimentos y rocas en
forma de minerales sulfatados (principalmente el yeso, CaSO4) y minerales sulfurados
(mayormente la pirita de hierro, FeS2) (Tabla 2). Sin embargo, es propio señalar que la
fuente primaria de azufre para la biosfera se encuentra en los océanos en forma de
sulfato inorgánico. A continuación se describe el origen de los principales depósitos de
azufre en nuestro planeta.
Sulfato:
El sulfato (SO4=) es mucho más abundante en agua de mar que en agua dulce, aunque
cabe señalar que los lagos ácidos y los lagos con una alta tasa de mineralización, en
cuencas cerradas, puden contener altas concentraciones de sulfato. Parte del sulfato
NUTRIENTES: AZUFRE
2
presente en agua dulce se origina de la mineralización de rocas en la cuenca de los
lagos. No obstante la mayoría del sulfato se deriva del agua de lluvia. El sulfato es el
segundo anión de mayor abundancia en agua de lluvia, siendo el bicarbonato el anión
más abundante. El sulfato presente en el agua de lluvia se deriva probablemente del
azufre presente en el aire en forma de dióxido de azufre (SO2). Este último, a su vez, se
origina de dos fuentes: (1) emanaciones gaseosas de origen industrial y del (2) sulfuro
de hidrógeno (H2S), de origen biogénico y de origen geológico (ej. emanciones
volcánicas y depósitos de gas natural). El H2S liberado a la atmósfera es oxidado
espontáneamente a SO2 por oxígeno atómico, oxígeno molecular o por ozono. El SO2
puede a su vez disolverse en agua para formar ácido sulfuroso (H2SO3) o bien puede
continuar su oxidación hasta trióxido de azufre (SO3). Esta última ruta envuelve varias
reacciones en serie, de lenta progresión (se requieren de horas o días), (Stanier et al.,
1986). Una vez se disuelve en agua, el trióxido de azufre se convierte en ácido
sulfúrico. Una porción del ácido sulfúrico y del ácido sulfuroso producidos por
transformaciones abióticas es neutralizado por pequeñas cantidades de amoniaco que
existen en la atmósfera (ver unidad de Nitrógeno). No obstante, una porción
substancial de ambos ácidos regresa a la superficie terrestre en forma de lluvia ácida.
Tabla 1:
# OXI.*
-1
-2
0
+2
+2.5
+4
+6
Estados de oxidación del azufre.
COMPUESTO
FeS2 (pirita**)
H2S (sulfuro de hidrógeno)
FeS (sulfuro ferroso)
R-SH (azufre orgánico)
amino ácidoscisteina, cistina,
metionina
vitaminas
biotina,
tiamina, ácido
lipoico
H3C-S-CH3 (dimetilsulfuro)***
Azufre elemental (S°)****
Thiosulfato (S2O32-)
Thiocianato (SCN- )
Tetrathionato (S4O62-)
Sulfito (SO32-)
Dióxido de azufre (SO2)
Sulfato (SO42-)
Trióxido de azufre (SO3)
*
Los compuestos con número de
oxidación: -2, 0 y +6 son los que se
encuentran en cantidades
significativas en la naturaleza.
** Mineral también conocido como el
"oro de los tontos" por su color
amarillo dorado.
*** Organosulfurado más abundante en
la naturaleza (producido mayormente
en ambientes marinos como
producto de degradación del
propionato-dimetilsulfonio en algas
marinas).
**** El azufre elemental existe como
diferentes especies moleculares,
desde S monoatómico hasta S2, S6,
S8 y formas poliméricas Sn.
NUTRIENTES: AZUFRE
2
Sulfuro de hidrógeno:
Las bacterias reductoras de SO4= son los principales responsables de la generación de
H2S bajo condiciones anaerobias. El sulfato que llega al hipolimnio y los sedimentos es
reducido por bacterias reductoras de sulfato, las cuales lo utilizan como aceptador de
electrones en la oxidación de materia orgánica (respiración anaerobia). En algunas
zonas costeras, donde se acumulan grandes cantidades de materia orgánica, se
produce una reducción intensa del sulfato a sulfuro de hidrógeno (Stanier et al., 1987).
Estas zonas se tornan virtualmente inhabitables por causa del olor fétido y del efecto
tóxico del H 2S. Cuando en dichos ambientes coinciden altas concentraciones de H2S
con altas concentraciones del ión ferroso (Fe2+) se generan grandes cantidades de
FeS, el cual es altamente insoluble. Este último no puede ser utilizado y escapa a la
acción biológica ulterior. La acumulación del ión ferroso imparte un color negro brillante y
un olor fétido a los sedimentos. Los sedimentos ricos en FeS se conocen con el nombre
de Sapropel. Cuando se produce una deficiencia de hierro en los sedimentos o cuando
las concentraciones de H2S exceden la cantidad necesaria para precipitar todo el ión
ferroso (Fe2+) presente, entonces el H2S podrá ser oxidado por bacterias. En zonas
anaerobias de cuerpos de agua dulce estratificados donde hay buena penetración de la
energía radiante pueden crecer bacterias fotosintéticas. Estas utilizan H2S como
donante de electrones produciendo gránulos de azufre intracelurares o extracelulares
(Figura 1). El H2S también es generado a través de procesos de putrefacción y
desulfurilación de compuestos organosulfurados. Las emanaciones volcánicas y los
depósitos de gas natural representan fuentes menores del H2S.
Figura 1:
Transformaciones de azufre en un ambiente acuático.
Zona
óxica
Bacterias oxidantes de H2S
SO4=
H2S
Zona
anóxica
S°
Bacterias fototróficas
anaerobias
2+
Fe
Bacterias
reductoras
de sulfato
Sedimento
S°
FeS
SO4=
NUTRIENTES: AZUFRE
3
El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un gas incoloro con un fuerte olor fétido a huevos
podridos. Este gas es extremadamente tóxico, particularmente para animales aerobios.
Causa dolor de cabeza y nauseas en humanos en concentraciones > 10 mg/L y puede
causar parálisis súbita y muerte cuando su concentración alcanza los 100 mg/L. El H2S
afecta el proceso de respiración celular a dos niveles. En primer término el H2S resulta
ser un inhibidor competitivo para la hemoglobina, y a que se puede acoplar al sitio de
ligamiento del oxígeno, impidiendo así el transporte normal de oxígeno (Figura 2). En
segundo término, el H2S inhibe la enzima respiratoria citocromo-c oxidasa, afectando la
producción de energía derivada de la fosforilación oxidativa acoplada a una cadena de
transporte de electrones. Como dato curioso, cabe señalar que animales aeróbicos
asociados a las fumarolas o respiraderos termales (“thermal vents”), como el gusano
plumulado Riftia pachyptila, el cangrejo Bythograea thermydron, y la almeja Calyptogena
magnifica exhiben diferentes mecanismos para poder crecer en un ambiente rico en
sulfuro de hidrógeno. En el caso de Riftia pachyptila este gusano posee una molécula
de hemoglobina con dos sitios de ligamiento que le permite transportar O2 y H 2S a través
del torrente circulatorio simultáneamente. Calyptogena magnifica posee una proteina
especial para el transporte de H2S, mientras que el cangrejo Bythograea thermydron
logra detoxificar el H2S en su hepatopancreas al oxidarlo a tiosulfato.
Figura 2:
Efecto de H 2S sobre el transporte de oxígeno en animales.
SULFURO
MOLECULA DE
HEMOGLOBINA
TRANSPORTE A
LAS CELULAS
OXIGENO
En plantas que se desarrollan en suelos anegados (pantanos, ciénagas, humedales) (ej.
arroz), el H2S que se produce por descomposición de organosulfurados o por la
actividad de bacterias reductora de sulfato puede ser letal para el desarrollo de estas
plantas. Muchas de estas plantas logran sobrevivir en dicho ambiente gracias a su
asociación simbiótica con bacterias que oxidan H2S (ver sección de Oxidación
Biológica de H2S más adelante).
La forma química en que encontramos el H2S en el ambiente depende del pH:
H2S
pH ácido
(< 6)
HS-
S2-
pH neutral
(= 7)
pH básico
(> 8)
NUTRIENTES: AZUFRE
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Tanto el HS- , como el S2- son muy solubles en agua, mientras que el H2S es un gas poco
soluble, que escapa a la atmósfera. Como señalamos en la sección anterior, el H2S que
llega a la atmósfera es oxidado a óxidos de azufre (SOx ). Estos óxidos al combinarse
con agua forman ácido sulfúrico y ácido sulfuroso.
Minerales sulfurados:
Los minerales sulfurados representan un depósito abundante de azufre en la naturaleza
(Tabla 2). Estos se encuentran en todos los tipos de rocas y tienden a acumularse en
vetas, con la excepción de los depósitos que se encuentran en ciertas rocas
sedimentarias. Los sulfuros metálicos resultan ser el grupo más común entre los
minerales sulfurados, particularmente los sulfuros de hierro, níquel y cobre. Los
minerales sulfurados son la fuente primaria de varios metales preciosos (ej. oro plata y
platino) y de la mayoría de los metales con utilidad industrial (ej. antimonio, bismuto,
plomo, cobre, nickel y zinc). Otros metales de valor industrial, tales como el cadmio y el
selenio se encuentran en cantidades trazas en los minerales sulfurados, siendo
recuperados durante los procesos de refinamiento. La extracción y refinamiento de
estos minerales y metales se lleva a cabo en fundiciones que emiten cientos de
toneladas de SO2 diariamente.
Tabla 2:
Depósitos de azufre.
DEPOSITO
Atmósfera:
sulfuro de hidrógeno (H2S)
dióxido de azufre (SO2)
sulfato (SO42-)
Litoecosfera:
Biomasa organismos vivos*
Biomasa organismos muertos
Inorgánico
Océanos:
Biomasa organismos vivos*
Biomasa organismos muertos
Inorgánico (sulfato - SO42-)
Sedimentos y rocas:
Yeso (CaSO42-)
Sulfuros metálicos**
ABUNDANCIA (g)
9.6 x 1011
6.4 x 1011
1.6 x 1013
2.5 - 4.0 x 1015
3.5 - 6.0 x 1015
desconocida
3.5 x 105
3.8 x 107
1.37 x 1021
6.3 x 1021
4.7 x 1021
* mayormente plantas
** mayormente piritas [ej. FeS2], chalcocita [Cu2S], cinabrio [HgS], galena [PbS],
wurtzita[ZnS], pentlandita [(Fe,Ni)9S8]
NUTRIENTES: AZUFRE
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Azufre orgánico:
El azufre orgánico lo encontramos en la biomasa de organismos vivos y muertos y en los
combustibles fósiles. (Tabla 2). En adición a los amino ácidos, vitaminas y cofactores
que contienen azufre, los microorganismos producen otros organosulfurados. Las algas
marinas producen el propionato-dimetilsulfonio como un soluto compatible. Los
solutos compatibles son compuestos utilizados por muchos microorganismos para ajustar
la actividad de agua citoplásmica.
Estos compuestos le permiten a muchos
microrganismos, que viven en ambientes con una baja actividad de agua (ej. ambientes
marinos, salitrales, cuerpos de agua eutróficos) el obtener agua aumentando su
concentración de solutos solubles intracelulares. Los solutos compatibles no inhiben los
procesos bioquímicos intracelulares y en términos generales son compuestos muy
solubles en agua (para más información sobre este tema refiérase a Brock et al., 1994).
El propionato-dimetilsulfonio, en adición a ser utilizado como soluto compatible por algas
marinas, puede ser utilizado como fuente de carbono y energía por microorganismos.
Este es catabolizado a acrilato y a dimetilsulfuro (H3C-S-CH3). El acrilato, un derivado del
ácido graso propionato, es utililizado como fuente de carbono y energía por muchos
microorganismos. El dimetilsulfuro es el organosulfurado más abundante en la
naturaleza. Su producción anual se estima en unos 45 millones de toneladas. Una vez
liberado a la atmósfera, el dimetil sulfuro es oxidado fotoquímicamente a metano ácido
sulfónico (CH3SO3- ), dióxido de azufre (SO2) y sulfato (SO 42-).
Por otro lado, el H3C-S-CH3 producido en ambientes anóxicos puede ser utilizado como:
(i) Sustrato para la metanogénesis (produciendo CH4 y H2S)
(ii) Donante de electrones para la reducción de CO2 en la fotosíntesis en
bacterias púrpuras (produciendo dimetil sulfóxido, DMSO)
(iii) Donante de electrones en trayectos catabólicos que generan energía en
algunos microorganismos quimiorganotrófos y quimiolitotrofos (produciendo
dimetil sulfóxido, el cual puede a su vez servir como aceptador de electrones
en procesos de respiración anaerobia, generándose nuevamente el dimetil
sulfuro).
En la naturaleza, se producen otros organosulfurados que impactan el ciclo de azufre,
tales como: metanotiol (CH 3SH), dimetil disulfuro (H3C-S-S-CH3), disulfuro de carbono
(CS2) y organosulfurados aromáticos (ej. tiofenos y tianaftenos, presentes en
combustibles fósiles). En términos cuantitativos, la producción y consumo del H3C-SCH3 se considera como la más significativa y la de mayor impacto ecológico. No
obstante, el impacto de los organosulfurados aromáticos en el ciclo de azufre se acentúa
en la medida que incrementa la quema de combustibles fósiles. La combustión del
petróleo, carbón y gas natural genera alrededor de 50 millones de toneladas de SO2
anualmente.
NUTRIENTES: AZUFRE
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Azufre elemental:
Existen depósitos extensos de azufre elemental en la corteza terrestre y en áreas fuera
de las costas. Dichos depósitos se han explotado tradicionalmente a través del proceso
Frasch. Este consiste en el bombeo de una mezcla de agua supercaliente y vapor de
agua (160°C y 16 atm) al depósito subterráneo, para licuar el azufre. Al mismo tiempo se
bombea aire comprimido (20 a 25 atm) para forzar el ascenso del azufre elemental
licuado. Hoy día, la promulgación de leyes de protección ambiental más estrictas ha
llevado a varios paises industrializados, como los Estados Unidos, a controlar las
emisiones de oxidos de azufre. Como resultado de esos controles, se recuperan
grandes cantidades de azufre elemental, como un producto secundario en operaciones
industriales (ej. refinerías de petroleo, plantas de carbón). Esta práctica ha reducido la
utilización del proceso Frasch en la producción de azufre elemental en países altamente
industrializados.
Figura 3:
Ciclo redox del azufre.
OXIDACION AEROBIA DE H2 S:
OXIDACION AEROBIA DE AZUFRE
S°
(Beggiatoa, Thiobacilli,
Thiothrix, Sulfolobus)
Grupos - SH
de proteinas
* biótica - (Beggiatoa, Thiobacilli, Thiothrix)
** abiótica - espontánea
BIO
O
ER
A
DESULFURILACION
AN
REDUCCION
ASIMILATIVA
DE SO4=
SO4=
REDUCCION DISIMILATIVA DE SULFATO
REDUCCION
ASIMILATIVA
DE SULFATO
AE
R
IO
OB
OXIDACION
ANAEROBIA
DE AZUFRE POR
BACTERIAS
FOTOTROFICAS
H2S
DESULFURILACION
Grupos - SH
de proteinas
OXIDACION ANAEROBIA DE
H2 S POR BACTERIAS
FOTOTROFICAS
S°
REDUCCION
DISIMILATIVA
DE S°
NUTRIENTES: AZUFRE
7
Una fracción pequeña del azufre elemental es utilizada en el proceso de vulcanización
del caucho y como pesticida (ej. asperjando viñedos de uva con polvo de azufre). La
mayor parte del azufre elemental es quemado, transformándose a dióxido de azufre. Las
consecuencias de esta actividad antropogénica sobre la contaminación del aire y el agua
es discutidad más adelante.
Transformaciones del azufre de naturaleza biogénica:
Los procesos biológicos que rigen las transformaciones del azufre en la biosfera están
ilustrados en la figura 3. A continuación se describen las particularidades de cada
proceso.
Reduccion de SO4=
La reducción de sulfato a sulfuro de hidrógeno requiere de la inversión de 8 electrones.
SO4= + 8e- + H+
H2S + 2H2O + 2OH-
Dicho proceso ocurre en varias etapas, dada la relativamente alta estabilidad de la
molécula de SO4=. Al describir los eventos bioquímicos que se producen en la reducción
de sulfato es importante hacer una distinción entre la reducción asimilativa y la
reducción disimilativa del sulfato (Figura 4).
Reducción asimilativa de sulfato
La reducción asimilativa del sulfato es el proceso mediante el cual una gran variedad de
organismos vivos (incluyendo plantas superiores, algas, hongos y la mayoría de los
procariotas) utilizan sulfato como fuente de azufre para la biosíntesis de compuestos
organosulfurados (amino ácidos [metionina, cisteina], vitaminas [biotina], coenzimos
[coenzimo-A], compuestos osmoreguladores [dimetilsulfuro]). Cabe señalar, que los
organismos arriba mencionados pueden utilizar también metionina y cisteina como fuente
de azufre. La fuente de azufre para los animales proviene mayormente de los
compuestos organosulfurados que consumen en su dieta (especialmente metionina). La
metionina que ingieren los animales suple el azufre utilizado en la síntesis de cisteina. A
partir de la cisteina se sintetizan otros organosulfurados.
Para la incorporación del sulfato a moléculas orgánicas es necesario reducir el átomo de
azufre del sulfato, ya que en los organismos vivos el azufre se encuentra casi
exclusivamente en forma reducida [grupos sulfidrilo (-SH) o puentes disulfuro (-S-S-)]
(Stanier et al., 1986). De esta forma, la primera fase en la reducción asimilativa de
sulfato conlleva la reducción del sulfato a sulfuro de hidrógeno.
NUTRIENTES: AZUFRE
Figura 4:
8
Reducción asimilitativa y disimilativa de sulfato.
bacterias
ATP
=
SO4
PPi
ATP
APS
sulfato
adenililtransferasa
ADP
PAPS
quinasa de APS
NADPH
2H +
2e-
H2
2e6H +
AMP
NADP +
=
SO3
3H 2
6e-
s
ria
cte
ba
=
SO3
plantas y
levaduras
sulfito reductasa
3 NADPH
6e-
3 NADP +
H2 S
H2 S
SERINA o
O-acetil
SERINA
CISTEINA
EXCRECION
SINTESIS DE OTROS
ORGANO - SULFURADOS
(ej. metionina, biotina, etc.)
REDUCCION DISIMILATIVA
(respiración anaerobia)
REDUCCION ASIMILATIVA
APS = adenosina -5´-fosfosulfato
PAPS = fosfoadenosina-5´-fosfosulfato
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NUTRIENTES: AZUFRE
La reducción del sulfato a sulfuro de hidrógeno requiere de la activación del sulfato a
expensas de ATP. La sulfurilasa de ATP (sulfato adenililtransferasa, Figura 4) cataliza
la adición del ión sulfato a un grupo fosfato del ATP, formándose el fosfosulfato de
adenosina (APS) y liberándose una molécula de pirofosfato (PPi). En procariotas, la
activación del sulfato conlleva una segunda fosforilación a expensas de ATP,
formándose la molécula de fosfoadenosina-5´-fosfosulfato (PAPS). Esta última es
reducida a sulfito (SO3=) a expensas del coenzimo NADPH. El sulfito es reducido
posteriormente a sulfuro de hidrógeno (H2S), nuevamente, a expensas del coenzimo
reducido NADPH.
En plantas, algas y hongos, la conversión de H2S a azufre orgánico conlleva su reacción
con el aminoácido serina para formar el aminoácido sulfurado cisteina.
Serina + H2S
Cisteina + H 2O
En bacterias, el H2S se combina con O-acetilserina para formar cisteina. A partir de la
cisteina se sintetizan entonces otras moléculas organosulfuradas.
Serina + Acetil-CoA
O-acetilserina + H2S
O-acetilserina
Cisteina + Acetato
Reducción disimilativa de sulfato
La reducción disimilativa de sulfato representa un patrón de respiración anaerobia
(Figura 4). Consiste en la abilidad de un selecto grupo de microorganismos procariotas
para utilizar sulfato como aceptador final en cadenas de transporte de electrones que
generan energía. Dicho grupo lo componen bacterias anaerobias estrictas conocidas
como bacterias reductoras de sulfato. Estas se han dividido en dos grupos fisiológicos:
bacterias oxidante de acetato y las bacterias no-oxidantes de acetato (Tabla 3).
La reducción disimilativa de SO4= requiere, al igual que la reducción asimilativa, de la
activación del sulfato a expensas de ATP. No obstante, dicha activación se produce en
una sóla etapa, generándose la molécula adenosina-5´-fosfosulfato (APS). Dicha
molécula es reducida a sulfito (SO3=) a expensas de de hidrógeno molecular (H2). La
reducción de APS a sulfito y la reducción de este último a sulfuro de hidrógeno (H2S) es
catalizada por la enzima reductasa de APS. Dicha reducción ocurre a través de una
cadena de transporte de electrones que emplea una o más quinonas, porteadores de
electrones con un potencial de redox relativamente bajo, tales como ferrodoxina,
flavodoxina y citocromos muy particulares como el citocromo c3 y un citocromo tipo b.
Es conveniente señalar que existen varias patrones de cadenas de transporte de
electrones entre las bacterias reductoras de sulfato. Dichas cadenas están acopladas a
la síntesis de ATP a través de la generación de un gradiente de protones. La evidencia
en favor de este esquema proviene de experimentos donde se logra abolir la reducción
de sulfato a sulfito y la síntesis de ATP, utilizando agentes desacoplantes de la cadena
NUTRIENTES: AZUFRE
10
de transporte de electrones tales como ionóforos de protones y diciclohexilcarbodimida
(DCCD) (Caldwell, 1995). No se conoce aún el mecanismo exacto mediante el cual
sintetizan ATP las bacterias reductoras de sulfato.
Tabla 3:
Bacterias reductoras de sulfato.
GRUPO/GENERO
RASGOS FENOTIPICOS SOBRESALIENTES
CAPACIDAD
GRAM MORFOTIPO ESPORAS CRECIMIENTO
AUTOTROFICO
GRUPO - I (No Oxidan Acetato)
Desulfovibrio
bacilos
+
curvos
Desulfomicrobium
bacilos
Desulfobotulus
vibrios
Desulfotomaculum
bacilos
+
Archaeoglobus
pleomórfico
*
Desulfobulbus
ovoide
Thermodesulfobacteri
bacilos
um
GRUPO - II (Oxidan Acetato)
Desulfobacter
bacilos
Dsulfobacterium
bacilos
+
Desulfococcus
cocos
+
Dseufonema
+
filamentos
+
Desulfosarcina
cocos
+
Desulfoarculus
vibrios
-
La figura 5 presenta un posible esquema de acoplamiento entre los procesos de
oxidación de hidrógeno, reducción de sulfato y síntesis de ATP en bacterias reductoras
de sulfato. Dicho esquema nos permite ilustrar los dos modos nutricionales que operan
en las bacerias reductoras de sulfato. Por un lado tenemos bacterias reductoras de
sulfato que crecen autotróficamente por quimiolitototrofía. Dichas bacterias crecen a
expensas de CO2, (fuente de carbono), H2, (fuente de electrones) y SO4= (aceptador
de electrones). Del otro lado, tenemos que la mayoría de las bacterias reductoras de
SO4= son quimiorganotroficas. Estas utilizan compuestos orgánicos como fuente de
carbono y fuente de electrones y utilizan el SO4= como aceptador de electrones (Figura
4).
NUTRIENTES: AZUFRE
11
Figura 5:
Esquema de acoplamiento de la reducción de sulfato, oxidación
de H2 y la síntesis de ATP en bacterias reductoras de sulfato.
2CO2
Grupo I
6H+
3H2
6e-
Grupo II
SO3=
ACETATO
*
PIRUVATO
AMP
ATP
ADP + Pi
PPi
H+
ATP
SO4
=
APS
DHL
ATPase
MEMBRANA
2H+
2eCit- c3
H2 asa
H+
Acetato
H+
+
H+
H+
H2S
ESPACIO
PERIPLASMICO
H2
H2S
CITOPLASMA
LACTATO
cadena de transporte de e-
2H+
(Proveniente del
metabolismo de
anaerobios
fermentativos)
DHL = dehidrogenasa de lactato
H2asa = hidrogenasa
Grupo I = bacterias reductoras
de sulfato que NO
oxidan acetato
Grupo II = bacterias reductoras
de sulfato que oxidan
acetato
*
Donantes de electrones alternos al lactato:
• piruvato
• propionato
• etanol
• acetato
• fumarato
• butirato
• malato
• ácidos grasos
• colina
• benzoato
• indol
• metanol
• propanol
• butanol
El SO4= es un aceptador de electrones con un potencial de reducción menor al del
oxígeno y el nitrato (Tabla 4). Por tal razón, el rendimiento energético de la reducción
disimilativa es menor al observado en bacterias que utilizan O2 o NO3- como aceptador
final de electrones. En consecuencia, las bacterias reductoras de sulfato exhiben una
NUTRIENTES: AZUFRE
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razón de crecimiento menor a la que presentan bacterias que crecen a expensas de
oxígeno o nitratos, como aceptador de electrones.
No obstante, las bacterias
reductoras de sulfato pueden generar suficiente energía para producir
Tabla 4:
Potencial Redox de aceptadores de electrones.
Pareja Redox
O2/H2O
NO3- /NO2SO4=/HS-
E°' (V)
+ 0.82
+ 0.43
- 0.22
* Datos tomados de Brock y otros (1994).
ATP, cuando crecen a expensas de sustratos orgánicos que les permiten generar los
coenzimos reducidos NADH o FADH. El sustrato fermentable más común es piruvato el
cual es oxidado a acetato, CO2 y H 2. Cuando estas bacterias crecen a expensas de
etanol o lactato se obtiene poca energía de la fermentación, requieriendo entonces
sulfato para poder crecer. La aportación energética de la reducción de sulfato es
evidente cuando comparamos la cantidad de biomasa producida en cultivos que crecen a
expensas de piruvato en presencia y ausencia de sulfato. En presencia de sulfato el
rendimiento de crecimiento es mayor, dado que se produce más energía al acoplar la
fermentación del piruvato a la reducción de sulfato (Figura 4). Estudios realizados con
bacterias del género Desulfovibrio sugieren una relación estequeométrica entre la
producción de ATP y la reducción de sulfato de: 1 ATP neto/SO4= reducido a H2S o de
3ATP netos/SO3- reducido a H2S.
La fuente principal de sulfuros en ecosistemas marinos es la reducción disimilativa de
sulfatos, dada la alta concentración de sulfatos que prevalece en dichos ambientes.
Dicha reacción ocurre de forma extensa en lugares donde encontramos altas
concentraciones materia orgánica oxidable. En muchos sedimentos marinos la razón de
reducción de sulfato esta limitada por los niveles de carbono disponisponible. Dicha
razón puede incrementarse significativamente con la adición de materia orgánica. Este
señalamiento es importante al momento de evaluar el impacto ambiental de las descargas
de materia orgánica (aguas de alcantarillado, efluentes ricos en desperdicios orgánicos)
en ambientes marinos. Dado que el H2S es una substancia de alta toxicidad para
muchos organismos, su formación representa una amenaza potencial para estos.
Por otro lado, los procesos de respiración anaerobia a expensas de sulfatos en
ambientes marinos limitan la actividad de los metanógenos en dicho ambiente. Los
metanógenos compiten con la bacterias reductoras de sulfato por los donantes de
electrones disponibles, particularmente H2 y acetato. Dada la alta concentración de
sulfatos en ambientes salinos, se favorece la reducción de SO4= sobre la reducción de
CO2 o acetato a metano. En ambiente de agua dulce anóxicos la actividad metanogénica
13
NUTRIENTES: AZUFRE
es más abundante que en ambientes salobres, según disminuye la concentración de
sulfatos.
Reducción disimilativa de azufre elemental (S )
Las bacterias reductoras de azufre se caracterizan por su capacidad para reducir el
azufre elemental a sulfuro, y por su incapacidad para reducir sulfato hasta sulfuro.
Varios géneros de arquebacterias y eubacterias quimioorganotróficas demuestran la
capacidad de oxidar sustratos orgánicos (principalmente péptidos pequeños, glucosa y
almidón) anaeróbicamente, utilizando S° como aceptador final de electrones. En
arquebacterias este proceso de respiración anaerobia se observa mayormente en los
géneros Thermococcus y Thermoproteus, y en menor grado en los géneros
Desulfurococcus, Thermofilum y Pyrococcus..
Sustrato orgánico + S
H2S + CO2
Otro grupo de arquebacterias quimiolitotróficas demuestran la capacidad de crecer
autotróficamente a expensas de CO2, H2 y S°. Este grupo lo integran arquebacterias de
los géneros Acidians, Pyrodictium y Thermoproteus. En el grupo de las eubacterias, la
respiración anaerobia de S° es llevada a cabo por bacterias pertenecientes a los
géneros: Desulfuromonas, Desulfurella y Campylobacter. Estas bacterias acoplan la
oxidación de sustratos tales como acetato y etanol a la reducción de azufre elemental a
sulfuro de hidrógeno. La capacidad para reducir azufre elemental se extiende también a
bacterias aerobias facultativas quimiorganotróficas pertenecientes a los géneros
Proteus, Pseudomonas y Salmonella. Estas bacterias también exhiben la capacidad de
reducir compuestos sulfurados tales como tiosulfato sulfito y dimetilsulfóxido (DMSO).
Oxidación anaerobia de H 2S, S y SO3= por fototrofos
La mayoría de las bacterias fotosintéticas verdes y púrpuras son capaces de oxidar
compuestos sulfurados reducidos a sulfato, bajo condiciones anaerobias (Figura 6)
(Brock et al., 1994). Los donantes de electrones más comunes en las bacterias
fototróficas antes mencionadas son el sulfuro de hidrógeno (H2S) y el tiosulfato (SO3=).
La figura 7 presenta un esquema general de los patrones de oxidación de compuestos
sulfurados que operan en bacterias fotosintéticas. El azufre elemental (S°) se forma
frecuentemente durante la oxidación del sulfuro de hidrógeno o el tiosulfato. Este se
puede acumular en el interior de la célula (ej. Chromatium ) o puede ser depositado fuera
de la célula, adherido a su superficie externa (ej. bacterias fotosintéticas verdes). El S°
almacenado en forma de glóbulos intracelulares o depósitos extracelulares representa
una fuente de electrones de rápido acceso para la célula fotosíntética. No obstante,
aparentemente el azufre elemental no es un intermediario obligado en la oxidación del
sulfuro al sulfato, siendo más bien un producto colateral que se acumula cuando las
concentraciones de sulfuro en el ambiente son altas. De hecho, cuando los niveles de
NUTRIENTES: AZUFRE
14
sulfuro son limitantes, este se oxida directamente a sulfato sin formarse el azufre
elemental.
Figura 6:
Esquema del flujo de electrones en la fotosíntesis anoxigénica.
BChl*
NADP +
Bf
NADPH
(I)
A
ADP + Pi
ATP
( II )
Cyt bc1
Flujo reverso de
electrones
(consume energía)
Cyt c2
Centro de
reacción
o
BChl
Cyt c553
Donantes externos de
electrones
(H 2S, S°, S2O3= o
compuestos orgánicos)
BChl = bacterioclorofila
BChl* = bacterioclorofila excitada
Bf = bacteriofaeofitina
A = aceptador primario (ej. quinona)
Cyt = citocromo
( I ) = trayecto observado en Bacterias de Azufre Verdes y en Heliobacterium
( II ) = trayecto observado en Bacterias de Azufre Púrpuras
* Figura modificada de Brock y otros (1994).
NUTRIENTES: AZUFRE
15
Figura 7:
Rutas de oxidación anaerobia de compuestos sulfurados
reducidos en bacterias fotosintéticas.
HS¯
2e-
2e-
S°
2e-
S - SO3 =
reductasa
de tiosulfato
6e-
SO3 =
AMP
reductasa
de APS
APS
2e-
Pi
sulfurilasa
de ADP
SO4 =
HS- + 4H2O
+
ADP
SO 4= + H+ + 8H+ + 8e-
8H+ + 8e- + 2CO2
2(CH2O) + 2H2O
Biomasa
RESUMEN:
HS- + 2H2O + 2CO2
SO4= + 2(CH2O) + H +
* Figura modificada de Brock y otros (1994).
Oxidación aerobia de H2S, S y SO3= por quimiolitotrofos
Existe un grupo de procariotas quimiolitototróficos capaces de crecer a expensas de
sulfuro de hidrógeno, azufre elemental o tiosulfato como donantes de electrones. Dicho
grupo se identifica como las bacterias de azufre incoloras. El término incoloras es
empleado para diferenciar dicho grupo de las bacterias fotosintéticas pigmentadas
(bacterias fotosintéticas verdes y púrpuras). El grupo de bacterias de azufre incoloras
esta integrado por los siguientes géneros: Thiobacillus, Thiosphaera, Thiomicrospira,
Thermothrix, Beggiatoa y Sulfolobus. Aunque se han reportado otros géneros con la
capacidad para oxidar azufre (Tabla 5), sólo los seis géneros antes mencionados se han
podido cultivar de forma consistente.
NUTRIENTES: AZUFRE
Tabla 5:
Características fisiólogicas de bacterias quimiolitotróficas que
oxidan azufre.
Género/especie
Donante de
electrones
Rango de pH
óptimo para el
crecimiento
Thiobacillus *
T. thioparus
6-8
T. denitrificans**
T. neapolitanus
T. thiooxidans
T. ferrooxidans
T. novellus
T. intermedius
Beggiatoa
H2S, sulfuros, S°,
S2O3=
H2S, S° S2O3=
S°, S2O3=
S°
S°, sulfuros, Fe 2+
S2O3=
S2O3=
H2S, S2O3=
Thiothrix
Thiomicrospira ***
Thiosphaera
H2S
S2O3=, H2S
H2S, S2O3=, H2
6-8
6-8
6-8
Thermothrix**
H2S, S2O3=, SO3-
Sulfolobus
Acidianus
H2S, S°
S°
*
16
6-8
6-8
2-4
2-4
6-8
3-7
6-8
6.5 - 7.5
1-5
1-5
Comentarios
algunas especies pueden
crecer
como quimioorganotrofos
quimiolitotrofo
filamentoso/pero no
puede crecer
autotróficamente
quimiolitotrofo filamentoso
quimiolitotrofos obligados
puede crecer también
como quimiorganotrofo
habita en manantiales
termales ricos en azufre,
puede crecer también
como quimioorganotrofo
arquebacteria termofílica
arquebacteria termofílica
Es difícil obtener cultivos puros de los tiobacilos que crecen mejor a un pH neutral, dado que la
oxidación del azufre conlleva la producción de ácido sulfúrico. Esto acarrea una disminución en pH
que provoca la muerte del cultivo. Es necesario utilizar un amortiguador fuerte y un transferimiento
frecuente de los cultivos para poder cultivar estas bacterias.
** Aerobios facultativos: pueden utilizar NO - como aceptador de electrones.
3
*** Una de sus especies utiliza NO - como aceptador de electrones.
3
El producto final de la oxidación del azufre en la mayoría de los casos es SO4=. En
varias de las bacterias de azufre incoloras (con la excepción del género Thiobacillus) la
17
NUTRIENTES: AZUFRE
oxidación del H2S se produce por etapas, siendo la primera etapa la oxidación de sulfato
a azufre elemental.
2H2S + O2 à 2S° + 2H2O
S° + H2O + 1.5O2 à SO4= + 2H+
S2O3= + H2O + 2O2 à 2SO4= + 2H+
Algunas de estas bacterias almacenan el azufre elemental en forma de gránulos
intracelulares (ej. Beggiatoa). Dichos depósitos representan una reserva de energía
cuando el suministro de H2S es limitado. Estas bacterias obtienen entonces energía de la
oxidación del S° a SO4=. En aquellos situaciones donde el azufre elemental esta
disponible mediante fuentes exógenas, el organismo crece adherido a partículas de
azufre, dada la alta insolubilidad del azufre elemental. Tal es el caso de Sulfolobus
acidocaldarius, una arquebacteria que puede crecer adherida a cristales de azufre
elemental. Al adherirse a los cristales de azufre el organismo puede solubilizar e
incorporar los átomos de azufre que utiliza como fuente de energía.
En el caso de las bacterias del género Thiobacillus la oxidación de sulfuros,
particularmente H2S, no produce azufre elemental como producto intermediario. No
obstante, estos microorganismos generan S° cuando oxidan tiosulfato (Figura 8). El
azufre elemental que se produce de la oxidación de tiosulfato puede ser oxidado
posteriormente cuando el sumistro de tiosulfato sea escaso. Si la fuente de tiosulfato es
escasa, la bacteria no acumula S°. Esto implica que bajo condiciones limitantes de
tiosulfato, el azufre elemental se oxida tan pronto es producido.
Es conveniente señalar que en las reacciones de oxidación de azufre descritas
anteriormente, uno de los productos generados es H+. Por lo tanto, una de los
resultados de la oxidación de compuestos de azufre, por bacterias de azufre incoloras,
es la acidificación del medio. El ácido que generan estas bacterias es ácido sulfúrico
(H2SO4). Dentro del grupo de las bacterias de azufre incoloras se han identificado dos
subgrupos a base de la capacidad que exhiben algunas especies para vivir en ambientes
con un pH ácido, mientras otras especies viven en ambientes con un pH neutral. Muchas
de las especies bacterianas que viven en ambientes acídicos también exhiben la
capacidad para crecer como quimiolitotrofos, utilizando el ión ferroso como donante de
electrones (Brock et al., 1994) (refieráse a la unidad del Hierro).
La figura 9 ilustra una cadena de transporte de electrones típica para organismos
quimiolitotrofos que oxidan azufre inórgánico reducido. Los electrones provenientes de
la oxidación de sulfuros, tiosulfato o azufre elemental entran en diferentes puntos de la
cadena de transporte dependiendo de su potencial de reducción. Se genera ATP a
NUTRIENTES: AZUFRE
18
través de la fosforilación oxidativa acoplada a la cadena de transporte de electrones de
electrones, siendo oxígeno el aceptador final de los electrones. La energía para la
fosforilación de ADP a ATP proviene de la generación de un gradiente de protones.
Figura 8:
Patrones de oxidación aeróbica de compuestos sulfurados en
bacterias del géneroThiobacillus.
S-2
R---SH
S
oxidasa de
sulfuros
(ej. H 2 S, PbS, HgS o CuS)
S°
S2 O3 -2
e-
SO3 -2
Trayecto I
O2
Cadena de
transporte de
electrones
Trayecto II (FSA)
H2 O
ATP
AMP
OXIDASA DE SULFITO
2eADP
Fosforilación oxidativa a
nivel de cadena de
transporte de electrones
H2 O
2eADP
O2
ATP
ATP
Fosfosulfato de
Adenosina (FSA)
Pi
Fosforilación
oxidativa a nivel
de sustrato
SO4 -2
ADP
SO4 -2
* Figura modificada de Brock y otros (1994).
La oxidación de sulfuros y azufre se inicia con la reacción de dichos sustratos
con grupos sulfidrilos de la célula (ej. glutationa), formándose un complejo sulfuro sulfidrilo. El sulfuro es oxidado a sulfito mediante la enzima oxidasa de sulfuro.
Existen dos rutas alternas (I y II) a través de las cuales el sulfito puede ser oxidado a
sulfato para producir ATP. El trayecto II (FSA) se ha encontrado únicamente en algunas
especies de Thiobacillus. Cuando el sustrato oxidable es tiosulfato los tiobacilos
producen azufre elemental. No obstante, cuando la fuente de azufre son sulfuros no se
produce azufre elemental.
NUTRIENTES: AZUFRE
19
En el caso de los quimiolitotrofos que tienen la capacidad de crecer autotróficamente, los
electrones para la reducción de CO2 provienen de un flujo reverso de electrones a lo
largo de la cadena de transporte de electrones. Dicho flujo reverso de electrones
permite la reducción del coenzimo NADPH, pero requiere de la inversión de energía, ya
que los electrones se mueven en contra de un gradiente de potencial de reducción.
Cuando el donante de electrones es tiosulfato o azufre elemental, observamos un
trayecto abreviado para la generación de energía (poca producción de ATP por molécula
de azufre oxidada) al compararse con el trayecto de oxidación de sulfuros. Al mismo
tiempo observamos que el trayecto para la reducción de NADPH mediante el flujo reverso
de electrones resulta largo requiriéndose una mayor inversión de energía si se compara
con el trayecto que opera cuando el donante de los electrones es sulfuro. Esta situación
explica el pobre rendimiento del crecimiento de bacterias quimiolitotrofas que obtienen su
energía a expensas de la oxidación de tiosulfato o azufre elemental. Finalmente, estas
bacterias quimiolitotróficas autotróficas utilizan el ciclo de Calvin para la fijación de CO2.
Figura 9:
Diagrama del flujo de electrones típico en bacterias quimiolitotróficas que oxidan azufre como fuente de energía.
NADPH
FLUJO REVERSO DE ELECTRONES
1/2O2
NADH
FP
HS-
Q
Cyt b
Cyt c
Cytaa3
S2 O 3 o
S°
ATP
H2O
CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES
Algunas bacterias quimiolitotrofas que oxidan azufre requieren de materia orgánica como
fuente de carbono. Estas bacterias se conocen como mixotrofas; utilizan H2S como
fuente de energía y un compuesto orgánico como fuente de carbono (carecen de un las
enzimas del Ciclo de Calvin). A este grupo pertenecen las bacterias del género
Beggiatoa. Estas bacterias estan ampliamente distribuidas en sedimentos marinos y en
sedimentos de agua dulce. En el caso particular de Beggiatoa , Joshi and Hollis (1977)
han señalado que la planta de arroz y quizas otras plantas que crecen parcialmente
NUTRIENTES: AZUFRE
20
sumergidas se protegen del efecto tóxico del sulfuro de hidrógeno a través de una
asociación mutualista con bacterias de dicho género. Bacterias del género Beggiatoa en
la rizosfera de la planta de arroz evitarían la intoxicación de la planta con el sulfuro de
hidrógeno que prolifera en dichos ambientes, recibiendo a cambio fotosintetatos liberados
por la raiz de la planta
Oxidación anaerobia de H 2S, S y SO3= por quimiolitotrofos
Un grupo reducido de bacterias quimiotitotróficas que oxidan azufre pueden utilizar
nitratos (NO3- ) como aceptador final de electrones, en lo que constituye un proceso de
respiración anaerobia. Este patrón metabólico ha sido observado en bacterias de los
géneros Thiomicrospira y Thermothrix (ver tabla 5).
Desulfurilación
La putrefacción de materia orgánica conteniendo azufre y su posterior desulfurilación
genera sulfuros (HS- ). De hecho, la descomposición de compuestos organosulfurados
representa una fuente significativa de sulfuros en ecosistemas de agua dulce. Muchas
bacterias descomponedoras pueden liberar H2S de la oxidación de amino ácidos que
contienen azufre. En zonas anóxicas de ambientes marinos, los sulfuros se originan
mayormente de la reducción disimilativa de sulfato (respiración anaerobia) y no de la
desulfurilación, dada su alta concentración de sulfatos.
Azufre y la contaminación ambiental:
El aire contaminado por actividades industriales es menudo llamado: niebla industrial
("industrial smog"). Dos componentes importantes de dicha niebla son el SO2 y el SO 3
(identificados en forma colectiva como SOx ). Estos óxidos de azufre se originan de
varias fuentes:
ü de la oxidación espontánea del sulfuro de hidrógeno que escapa a la
atmósfera.
ü de emanaciones volcánicas y de depósitos de gas natural
ü actividades antropogénicas:
• combustión de combustibles fósiles
• extracción de minerales preciosos y forja de metales
• vulcanización del caucho
• elaboración de agentes decolarantes y preservativos en la industria de
alimentos
• separación de la lignina y otros materiales no deseados de la pulpa de
madera para la producción de papel y rayón
21
NUTRIENTES: AZUFRE
El SO2 es un gas irritante, que agrava los síntomas de personas que padecen de asma,
bronquitis enfisema y otras enfermedades respiratorias. Al combinarse con agua forma
ácido sulfuroso, el cual es muy inestable. Las sales de este ácido se se oxidan
fácilmente a sulfatos, siendo esta una de las fuentes de sulfato en el agua de lluvia.
El trióxido de azufre se origina de la oxidación aeróbica del SO2. Este proceso es
normalmente lento, pero puede ser acelerado en presencia de partículas pequeñas de
ceniza. En adición, cuando la humedad del aire es alta las partículas de ceniza
promoverán la conversión del vapor de agua a un aerosol de pequeñas gotas de agua
que llamamos niebla. El trióxido de azufre al combinarse con el vapor de agua forma
ácido sulfúrico. Cuando inhalamos dicho aerosol las gotas de ácido sulfúrico son tan
pequeñas que pueden quedar atrapadas en el tejdo pulmonar causando daños severos.
Se han producido casos de niebla toxica que han causado la muerte de muchas
personas. Como ejemplo podemos citar un incidente acaecido en Londres en 1952,
donde una niebla tóxica cubrio la ciudad durante 5 días provocando la muerte de 4, 000
personas.
Cuando se produce una precipitación pluvial en un área donde los niveles del trióxido de
azufre son relativamente altos se produce el fenómeno de lluvia ácida (ver unidad de
pH en este manual). El pH del agua del lluvia es normalmente ácido (alrededor de 5.3)
debido a la presencia de ácido carbónico, ácido fórmico y ácido acético. Estos se
consideran constituyentes normales del agua de lluvia. Cuando se registran lecturas de
pH muy por debajo de 5.0 en agua de lluvia o en niebla, se adjudican generalmente a la
contaminación de la atmósfera con SO3 o con óxidos de nitrógeno (NOx ). Estos últimos
son generados por vehículos de motor y por plantas generadoras de energía electrica.
En adición a los efectos detrimentales que ocasiona la lluvia ácida a la vegetación
terrestre y a los organismos que habitan en cuerpos de agua dulce (particularmente la
ictiofauna), esta es responsable del desgaste y deterioro acelerado de muchas
estructuras y esculturas de piedra edificadas por los seres humanos.
NUTRIENTES: AZUFRE
METODOLOGIA
PROCEDIMIENTO A SEGUIR
SULFATO :
Manual análisis químico Hach
SULFUROS:
Manual análisis químico Hach
PREGUNTAS...
1. Describa los procesos biológicos envueltos en la síntesis de H2S.
2. Identifique las fuentes de H2S y SO2 en la biofera.
3. Indique que relación guarda el azufre con el fenómeco de lluvia ácida.
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NUTRIENTES: AZUFRE